柳林矿区近距离煤层回采巷道支护技术研究

文/李根威贺全智

柳林矿区近距离煤层回采巷道支护技术研究

文/李根威贺全智

近距离煤层群下行开采时上组煤的底板变为下组煤的顶板，受上组煤采动影响，下组煤围岩节理裂隙扩张，整体承载能力下降。下组煤巷道普遍存在支护困难，后期维护工作量大，成本高，安全效益差的问题。国内针对下层煤开采时巷道变形规律，从合理布置巷道和支护方面综合优化设计，取得良好的支护效果。柳林矿区上组煤在资源整合之前多数为乡镇小矿，刀柱式开采、以掘代采等非正常顺序开采上层煤，导致采空区和煤柱布置不规范。下组煤巷道布置很难避开采空和煤柱应力的影响，回采巷道在4#煤采空区和煤柱下方穿梭，先期采用锚网索支护，回采过程中断面收缩严重，扩巷工程量巨大，影响正常回采工作。后期不断总结经验，各矿互相借鉴，总结出一套可靠的支护方法。

一、地质概况

柳林矿区位于属鄂尔多斯聚煤盆地东缘的河东煤田中段，矿区主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，二叠系下统山西组是一套由砂岩、泥岩、砂质泥岩和煤层组成的陆相含煤建造，4、5号煤层为稳定可采煤层，4#煤厚4.16～4.85m，5#煤厚2.97～4.19m，层间距2.85～3.93m，顶板以泥岩为主，局部赋存砂岩，煤层柱状示意图如下所示。

煤层柱状图

二、巷道支护技术

1.初期支护方案和实际支护效果

（1）5#煤回采巷道支护方案。柳林矿区26座矿井在初步设计时巷道支护基本采用直径为20mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，长度为2.2～2.5m，间距800mm；两帮锚杆直径18～22mm，长度为1.8～2m，间距为800～900mm，锚杆排距为800～900mm。每隔三排锚杆即2.7m安装两套直径17.8mm，间距为2000mm，长度不超过层间距的小孔径预应力（160KN)锚索加强支护，顶板及两帮配套相应尺寸的钢筋梯子梁和钢筋网片，防止局部冒落，提高巷道整体支护刚度。

（2）5#煤回采巷道实际支护效果及分析。依据对所选3座煤矿回采巷道变形情况的长期观察，巷道的变形量主要集中在两个阶段。

第一阶段为巷道开挖40～60天期间，变形主要发生在采空区下方巷道，两帮下侧开始凸出，之后底鼓显现，顶板偏向一侧下沉，巷道两帮平均移进量260mm，顶底板平均移近量340mm；布置在残留煤柱下方的巷道，本阶段变形不明显。

第二阶段发生在回采期间，超前工作面70m范围内巷道变形严重，出现锚杆尾部断裂，托盘压突的现象，两帮由局部鼓出发展到整个煤帮，两帮平均移近量约1.5m，顶底平均移近量1.4m；煤柱下方巷道矿压显现剧烈，超前支护段单体柱顶梁折损严重，插底深度超过0.6m。相邻工作面巷道（30m保护煤柱）受侧向支撑压力影响也出现相同的变形规律。

结合矿山压力理论，认为巷道开挖后，薄板在初期受锚杆支护的约束，能形成稳定的承载结构；后期两帮煤体扩容外凸，顶部泥岩裂隙扩展，薄板完整性遭到破坏，承载方式由两端固支变成简支，巷道中部极易受拉破坏；残留煤柱下方顶板裂隙贯穿整个泥岩薄板，在掘进当时就出现严重冒落，故第一阶段显现不明显。第二阶段，受超前支承应力影响，巷道出现二次变形，煤体由于强度较低，鼓出严重；煤柱残留区下方巷道受超前支承应力和煤柱应力叠加影响，两帮煤体塑性区向围岩深部发展，一旦达到峰值应力，极易裂成块状，残余支承能力显著下降，两帮大面积挤出，顶板下沉显著。

2.架棚二次支护

柳林矿区采用大U型通风系统，巷道掘进采用双巷掘进，巷道掘成后服务时间在8个月以上，单一的锚网索支护只能在短期内确保巷道围岩稳定，为确保巷道在整个服务期间安全可靠，采用锚网索+架棚复合支护技术。一次性完成锚网索和架棚支护是许多煤矿在先期的主要做法，后期发现巷道变形问题仍不能从根本上得到解决，不论是采用矩形巷道还是拱形巷道，棚架的变形和损坏都相当严重，往往需要二次刷巷支护。总结矿区架棚支护失败经验，发现棚架支护阻力有限，关键是要提高围岩自身承载能力，适时架棚给予破碎岩体充足的围压，发挥围岩残余支撑能力。

（1）两帮补打锚索。在锚（索）网支护基础上，两帮加锚索固帮，减少两帮施加给棚架的横向推力，锚索锚固端以进入两帮煤体弹性段为宜。利用钻孔窥视仪观察两帮钻孔裂隙和变形情况，发现距离煤帮3.5m后钻孔变形和裂隙变化不明显（回采前），根据现有的施工技术，两帮采用长度5.8m，直径17.8mm锚索，锚固长度大于1.8m，预紧力不得低于160KN。

（2）薄板泥岩结构尚未破坏区域，第一阶段巷道围岩变形稳定后架棚支护。架棚过早，第一阶段围岩变形容易压弯棚架，扭曲的棚架支护阻力显著下降，失去对围岩的抵抗能力，架棚过晚，顶板泥岩破坏后冒落范围扩大，架棚背板工程量增加，棚架与围岩之间受力不均。

（3）薄板泥岩结构破坏区域，掘进期间顶板容易冒落，锚（索）网支护后，要及时架棚支护，背板严实。架棚支护的关键在于保证棚架结构恒定的支护阻力和良好的变形让压性能，既要求棚架能发挥最大的支撑作用，也要求在压力较大的情况下棚架能够让压，防止折损，保持对破碎围岩恒定的抵抗力。

（4）拱形巷道采用U型钢可升缩支架，棚腿打孔插入锚杆紧固，架间钢筋连锁，提高整体刚度。U型钢排距以与锚杆排距相同为宜，棚架型号不得低于29#，卡缆紧固有力，阻力不得低于140KN。矩形巷道采用单体柱+一字铰接顶梁支护，单体柱直径不得低于100mm，压力较大时，需及时补打点柱，防止顶梁损坏。

（5）相邻巷道受侧向支承压力的影响，容易压弯棚架，回采期间距离回采工作后方120m范围内应加强支护。

（6）拱形断面在掘进时需要切割一定厚度的顶板泥岩，在顶板较薄的前提下，再次切割容易降低顶板承载能力；拱肩两处的煤体自稳能力差，容易片落，不利于锚杆支护，架棚时背板工作量大；回采期间拱形巷道超前支护困难，坑木损耗较大，建议使用矩形巷道，锚（索）网一次支护，单体柱抬棚二次支护，具有成型良好、后期拆除快捷、劳动消耗小、重复利用高的优点。

三、结论

柳林矿区特殊的薄板泥岩结构，在经受4#煤采动应力以及残留煤柱集中应力影响下，下组5#煤巷道稳定性较差，巷道变形的阶段性决定巷道支护宜采用复合分段支护，锚网索为基础支护，煤帮补打锚索加强支护，架棚二次支护，棚架结构可靠的支撑阻力和让压性是确保巷道二次变形时稳定的关键。现场实践证明，采用分段支护后，矿区内回采巷道大面积破坏的现象基本消失，分段式双重支护既经济又安全，值得推广。

（作者单位：吕梁学院矿业工程系)

（责任编辑：周琼）